未来无线基础设施需求高速率传输小型化设备

【导读】未来的无线基础设施必然会具有更高的终端容量，更完善全面的覆盖率，能够以更快的速度传输大数据量的文件和信息，同时该类设备会向绿色、低能耗、高效方向演进， 以使得将来的基站类无线设备更加小型化， 便于安装和维护， 以进一步降低成本，更加高效、环保、经济。

摘要：  未来的无线基础设施必然会具有更高的终端容量，更完善全面的覆盖率，能够以更快的速度传输大数据量的文件和信息，同时该类设备会向绿色、低能耗、高效方向演进， 以使得将来的基站类无线设备更加小型化， 便于安装和维护， 以进一步降低成本，更加高效、环保、经济。

关键字：  无线基础设施，  小型化，  高速率

随着智能手机及各种通讯终端越来越广泛的普及， 用户对大数据量通讯及高速数据传输的需求也越来越高。为获得更高的通讯质量和更好的用户体验，我们可以预见，未来的无线基础设施必然会具有更高的终端容量，更完善全面的覆盖率，能够以更快的速度传输大数据量的文件和信息，同时该类设备会向绿色、低能耗、高效方向演进， 以使得将来的基站类无线设备更加小型化， 便于安装和维护， 以进一步降低成本，更加高效、环保、经济。

“2013年将是中国无线通信市场的关键年。”TriQuint半导体公司中国区区域市场经理张丕友强调。他指出，面对快速发展的4G技术，LTE将在中国迅速普及。对于运营商而言，LTE基站以及周边基础设施的市场将不断扩大。当然，除了4G通信发展之外，运营商部署WLAN的力度也将进一步加大。对于无线通信基础设施来讲，小型蜂窝将在2013年展开更大规模的试点。

大数据量、高速率传输带来挑战

无线基础设施的技术发展主要受蜂窝网络部署(基于LTE、HSPA+和TD-SCDMA，以及未来的LTE-Advanced)的驱动，主要技术的发展动力源自3GPP标准定义的无线接入网络(RAN)的技术突破，涉及提高网络容量和覆盖率、降低运营成本和设备成本所面临的技术挑战。业界普遍认为，无线基础设施的将从以下几个方面出现重大变革，包括高集成度、更高的灵活性、更强的可扩展性、更高的性能、更高效率/更低功耗。例如，可轻松从一种产品(毫微微或微微)扩展为另一种产品(微/宏)的设计方案，单芯片SoC器件可在单个器件中高度集成基带及无线电处理以及更高层功能等等。

凌力尔特公司RF产品市场经理James Wong表示，在无线基础设施市场，尽管 LTE 无线网络部署正在热烈进行中，但是该网络仍然处于早期建立阶段。2013 年和 2014 年仍将主要进行网络扩展。不过，大型基站制造商的开发活动已经开始专注于新一代 LTE-Advanced 技术了。LTE-Advanced将支持100MHz带宽，这是目前全频谱20MHz带宽的5倍，因此带宽将迅速增大。

图1：凌力尔特公司RF产品市场经理James Wong

恩智浦半导体(NXP)技术市场经理童雪辉指出，为了满足更高的容量，除了宏观BTS和RRH，还必须有Micro、Pico和Femtocell。为了满足宽带和多种模式兼容，高密度(低CDS)视频带宽和更高的RF功率器件也成为必要。为达到更高效率，新型更高效率的设备和应用程序的结构成为必须，如3路、4路Doherty、CLASSE/F，SMPA等。为进一步降低成本，塑料包装和高密度、小型封装RF功率器件产品也会有更多市场需求。这要求LDMOS解决方案需要增加视频的带宽，实现更高的峰值功率。恩智浦第八代LDMOS使用V-leader、DTC和低温共烧陶瓷电容，以增加视频的带宽;使用优化的模具和无源件，比第七代驱动器增加2%以上的效率及性能。

对于无线通讯设备来说，在提高对高速率大容量高性能要求的同时，希望降低功耗和成本对产品设计来说是一个巨大的挑战。为了解决这一难题，除了设备制造商进行优化系统架构设计和产品结构设计以外，只能更多地依赖于芯片及方案提供商提供更高性能、更高速率、更宽带宽、更高集成度的低功耗器件级产品来完成设备设计。当然，对于提高供器件级产品的各半导体厂商来讲这也非易事，更为精细的半导体工艺制程和更合理的芯片设计是他们努力的方向。举例来讲，无线设备中的核心芯片之一，高速模数转换器(DAC)和数模转换器(ADC)的制造工艺已从之前的CMOS 180nm及140nm制程改进到目前的90nm及65nm制程，在未来几年内有可能演进到 28nm的新工艺，这对模拟器件的设计将会是一个巨大的挑战。

艾迪悌公司(IDT)于2012年发布了JESD204B接口的16位2G采样率DAC 和16位250M采样率的ADC，数据传输达到12.5Gbps，该类器件于提高系统信号带宽和数据传输速度的同时，大大缩减了PCB面积，简化了PCB的设计难度，RRU中射频模块的成本因此得以降低约30%。

我们看到，手机、平板电脑和其他移动设备的普及步伐越来越快，另外，部署的3G和4G高速网络的高吞吐量可与有线宽带连接相媲美。这两种趋势对现有无线基础设施都造成巨大压力。IDT公司产品营销高级经理孟爱国认为，对无线通讯的质量而言，全面提升某一特定场合的通讯容量、传输速率、覆盖率、经济型等方面在实际的网络布局中会显得非常难以平衡，因而需要运营商因应于不同的特定需求进行相应的网络优化。例如，在某些人流较为集中的楼宇内采用多个Micro、Pico或 Femtocell作为对宏基站的补充，这样做可以较经济地改善改善覆盖率和信号质量。

美信集成产品公司(Maxim)通信产品应用经理Damian Anzaldo表示，短期内(未来2～4年)，主要的技术发展趋势涵盖宽带多标准/多载波基站的应用、向有源天线基站的过渡、采用带内连续LTE载波聚合的4x4和2x2 MIMO无线技术的继续沿用、站内CoMP的兴起、小蜂窝HetNet配置以及更多的光纤基站承载互联。从长远看(未来5～7年)，无线基础设施的主要技术发展趋势为采用高级LTE标准。相关的技术趋势包括采用带外非连续LTE载波聚合的8x8和4x4 MIMO升级、站外CoMP、中继节点(RN)配置、小蜂窝密集化以及RAN共享。

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图2：美信集成产品公司(Maxim)通信产品应用经理Damian Anzaldo

提升网络容量(频谱效率)和覆盖率(空间效率)的一个有效方式是将基站移至移动用户的周围，这样有利于获得更高的系统信噪比(SNR)，从而改善频谱效率，提高覆盖率以改善空间效率。异构网络(HetNet)或云计算无线接入网络(C-RAN)将基站移至更靠近移动用户的位置，因而具有较高的数据吞吐量，实现无缝连接。HetNet和C-RAN将通过小蜂窝、分布式天线系统和宏蜂窝基站，提升移动体验。借助空中接口的技术突破有助于进一步提升网络容量，这些技术包括：双载波HSPA+、LTE载波聚合、空间复用或MIMO无线技术、协同多点(CoMP)传输技术和中继节点。

Damian Anzaldo还表示，3G/4G宏蜂窝基站的主要技术挑战在于RF发射。RF发射机的整体方案尺寸必须符合有源天线或RRH小尺寸的要求，同时还需要将4x MIMO通道密度升级到8x MIMO。RF发射机必须支持700MHz至2.6GHz多频覆盖和多制式工作。

对于高速速率设计的需求，罗杰斯公司亚洲市场副总裁刘建军从材料的角度进行了阐释：高速设计需要低插入损耗、多层板结构、更加可靠的过孔以及可靠的参数。低插入损耗要求板材具有低的且稳定的Df。为得到可靠的过孔，需要简单的电镀工艺以及和铜相似的z-轴热膨胀系数。罗杰斯推出的RT/duroid 5880LZ材料介电常数非常低(1.96)。低的z-轴热膨胀系数使其能够在进行多层板加工的时候得到可靠的金属化过孔。这款材料对于卫星以及航空工业十分理想。

此外，就目前国内TDS-CDMA， WCDMA， CDMA2000三种制式并行的现状来讲，移动、联通和电信各自铺设自己的通讯设备构建自己的无线网络，我们经常看到在同一个小区内同时铺设有三种制式的无线设备以实现各自的完全覆盖，这不能不说是一种巨大的重复投资浪费。如何维持三种制式良性竞争和避免重复投资方面的平衡给三大运营商和行业管理部门提出了一个有难度的课题。

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小型蜂窝基站发展加速

无线基础设施领域出现的另一个关键趋势是，对发展小型微蜂窝基站的兴趣日益增大。“由于信号对大型建筑物的穿透能力差，室内化将对现有宏蜂窝网络的数据覆盖提出挑战。这两大因素推动了创建异构网络解决方案的需求，通过异构方案，网络不再只由宏蜂窝构成，还将得到微蜂窝、微微蜂窝以及毫微微蜂窝的有力补充。”赛灵思(Xilinx)无线产品市场总监David Hawke称。另外，可使用有源天线系统对现有宏网络进行升级和改进，该系统在单个单元中将远端无线电和天线进行完美整合，可通过增加无线电元件提升原有宏蜂窝网络的容量与覆盖范围。

图3：赛灵思(Xilinx)无线产品市场总监David Hawke

对运营商而言，为实现海量数据在无线网络中的高速传输，其面临主要的挑战是网络的扩建需要庞大的资本支出。ANADIGICS公司基础设施产品部副总裁Tim Laverick指出，通过运用企业级小型蜂窝解决方案，运营商能够精确地锁定对无线宽带存在大量需求的区域，其中包括大学校园、办公场所和购物中心。

图4：ANADIGICS公司基础设施产品部副总裁Tim Laverick

要实现企业级应用的最佳性能，这些小型蜂窝设备中的功率放大器必须具备极高的输出功率，以便覆盖更广的范围和更宽的频段。此外，这种功率放大器必须具有极高的效率，才能降低功耗，以适应小型电源和电池备用系统的需求。这一特点赋予了设计师更大的灵活性，从而构思出更具美感的设计。最后，这种功率放大器必须拥有极高的线性度，才能确保大吞吐量高速宽带连接的稳定性。

ANADIGICS全系列WCDMA/ HSPA/LTE小型蜂窝功率放大器产品均针对最常用频段进行了优化。这些小型蜂窝功率放大器均采用已获专利的InGaP-Plus技术和创新的设计工艺，具有行业领先的性能和集成度。为确保在各应用领域实现最佳覆盖，ANADIGICS面向每个主要频段的功率放大器产品均包括针对? W和? W线性输出功率而优化的解决方案。这些小型蜂窝解决方案也经过优化，具有出色的功率效率(PAE)、卓越的散热效率和极低的晶体管接点温度，可为设计工程师带来最大的灵活性。

图5：ANADIGICS公司的AWB7125和AWB7225小型蜂窝功率放大器。

凌力尔特公司RF产品市场经理James Wong也认为小型微蜂窝部署起来更加经济实惠，同时在高密度城区解决了呼叫容量不足问题，因为宏蜂窝信号也许无法到达这样的城区。这些微蜂窝基站尺寸小、功率低，与宏蜂窝相比，覆盖范围更小。微蜂窝基站的作用是提供局部覆盖，将覆盖范围延伸到宏蜂窝无法到达或覆盖欠佳的区域。

“小蜂窝基站的主要技术挑战取决于基站类型，即公共接入小蜂窝(PASC)还是家庭Femtocell基站。”Maxim Integrated 公司通信产品应用经理Damian Anzaldo解释说，PASC基站必须支持多频/多制式/多载波工作，提供较大的输出RF功率。PASC的RF输出功率范围在24dBm (250mW)至37dBm (5W)，能够覆盖高达20MHz的频道带宽，支持4载波WCDMA或可选LTE频带BW。对于某些应用，RF收发器需支持PA预失真技术，通过对PA线性化降低运行功耗。家庭femtocell基站(HNB)需要满足单载波3G空中接口的要求，使方案整体尺寸尽可能小、成本尽可能低。在未来2～3年内，随着LTE的推广，移动运营商对于3G家庭Femtocell基站的需求将大幅提升。

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Maxim公司的MAX2550-MAX2553单芯片小蜂窝RF收发器方案可理想用于小蜂窝基站。MAX2550-MAX2553零中频收发器内置高速数据转换器、n分数合成器和PA驱动器。器件覆盖WCDMA波段1-6、8-10和CDMA2000波段0、1和10。还集成了带有非平衡变压器的LNA，使方案尺寸缩小42%。

部署微蜂窝基站面临的另一个挑战是，尽管其发送器功率可能仅为1W～2W，比宏蜂窝超过30W的发送功率低得多，但是干扰的可能性却没有减少。事实上，由于附近可能有大功率发送器，例如警察的无线电设备、广播电台以及广播电视信号所用的发送器，因此微蜂窝基站有可能暴露在更多干扰中，这些大功率发送器的信号可能淹没微蜂窝接收器，使接收器无法正常工作。[!--empirenews.page--]

James Wong表示，微蜂窝基站的干扰阻塞问题与宏蜂窝基站没有不同。因此，通过应用一些历史悠久的方法，即利用能提高接收器和发送器前端坚固性的高 IIP3 和大动态范围组件，可以应对这些问题。运营商将要求微蜂窝提供可靠的性能，就像宏蜂窝一样，可以向用户提供不间断的服务。

“众多OEM厂商正在得出这样一个结论，即ASIC已不再适用于设计集成度不断提高的无线基础架构设备，因为它不具备新型异构网络所要求的灵活性和可扩展性。”赛灵思的David Hawke表示。如果在基础架构拓扑中能够把软硬件相结合，就会非常有利于降低总成本和功耗，提高性能并改善灵活性。

因此，过去主打DSP处理器的ASSP制造商现在正在把多个DSP或GPU内核与硬件加速器相结合，从而开发出适用于毫微微和微微蜂窝等小型蜂窝基站的全面集成型产品。这类器件能够提供全面的软硬件灵活性，但缺陷是硬件加速器的功能是固定的。这样就难以支持标准中要求的较新的特性与功能，一旦L1处理发生变化就会使这些器件失效。

赛灵思All Programmable Zynq-7000 SoC器件可以有效解决以上问题，它不仅完美集成了FPGA器件中常见的高性能低功耗DSP、存储器、SERDES和逻辑，同时还结合一个高性能双核ARM Cortex A9可编程子系统。该系列器件可提供全面的软硬件灵活性以及最大的集成度，而且具有总体成本低和低功耗等特性。此外，由于其可编程逻辑和处理子系统之间的带宽很高，因此还可以让软/硬件所实现的功能之间的界限变得模糊。

图6：赛灵思All Programmable Zynq-7000 SoC器件。

对高性能半导体器件需求增加

转移到移动设备如智能手机和平板计算机的射频内容显著增加，这代表了数亿美元的设备市场。LTE、LTE-Advanced和802.11ac的推出，将拉动对集成、高性能的射频解决方案的需求。“研发继续是TriQuint工作的重点，如同我们开发独特的技术和封装技术，提供完整的射频解决方案，以提高性能和降低客户的应用成本。”TriQuint半导体公司中国区区域市场经理张丕友谈到。“除了使用砷化镓(GaAs)带来的好处之外，我们还拥有更紧凑的结构、更小型的尺寸、更高效率、长时间的电池续航以及支持更多种频带等特点。”

由于第四代和第五代无线通信变得更为普遍，未来将需要高性能的功率放大器和滤波器以支持这些新的服务。因为业界采用更复杂的方法充分利用拥挤的频谱，即通过频谱重整或通过提高频谱效率。TriQuint公司利用广泛的射频技术组合，把主动和被动组件集成到超小型、高性能的射频模块。高性能集成式射频解决方案，在减小的尺寸内提供更多的功能，为OEM厂商提供了更多的PCB空间以设计更丰富的功能组，同时最大限度地降低射频设计所需的工程时间和资源。并使用集成实现技术，如CuFlip铜凸覆晶封装来缩小尺寸、提高性能和降低成本。

上文谈到异构网络可解决覆盖问题，不过，异构网络本身也会导致问题，因为设备组合数量众多。为此，OEM厂商应想方设法让软/硬件具有通用性，以便扩展和重复利用。此外，还可使用高级IP和软件来缩短设计时间并提升实现效率。

赛灵思正在通过开发FPGA和SoC解决这一问题。这些FPGA和SoC能够让客户同时用软/硬件迅速创建设计，并提供高集成度和高灵活性。与解决方案中某些组成部分采用固定配置的竞争性ASSP解决方案相比，使用高度灵活的产品可以减轻任何功能蔓延或者标准失配的风险。Zynq-7000 SoC系列的宽度和性能优势使其能够解决网络中发展速度最快的组成部分所提出的各种苛刻要求。赛灵思器件、工具以及相关IP不仅能够优化异构网络设计，同时还可提供可扩展处理能力，满足从毫微微蜂窝到规模最大的集中化云RAN架构的各种需求。

随着带宽的扩大，基站硬件的设计挑战正在成倍增加。部分原因是，可用带宽增大的同时，噪声带宽也跟着增大了，因此接收器的动态范围受到了影响。另外，所有发送和接收信号链路组件的性能要求也变得更加严格了。例如，增加带宽会毫无例外地要求A/D转换器提供更高的采样速率。同时，要提高宽带混频器的性能也更难了。更好的组件可能给系统造成成本压力。在实现数字预失真(DPD)接收器时，困难更大。随着无线带宽提高到100MHz，DPD的瞬时带宽跃升至大约 500MHz。在这样的信号带宽上，要满足全奈奎斯特(Nyquist)采样速率要求，采样率必须达到 1Gsps，目前一代 ADC在达到基站SNR和动态范围性能要求的同时，远没有提供这么高采样率的能力。

凌力尔特公司对此进行了改进，即利用直接转换I/Q解调器的固有特性，将基带信号带宽减半。这样可使 ADC的采样速率也降低一半。因此500MHz的信号带宽就减小为 250MHz，这时需要500Msps的全奈奎斯特采样速率。LTC5585是首款真正的宽带宽和高性能 I/Q 解调器，该器件能提供非常平坦的I和Q输出频率响应，直至超过300MHz，平坦度都好于±0.5dB。

博通公司基础设施与网络集团副总裁兼首席技术官Nick Ilyadis介绍说，博通公司工程师设计的方案面向未来的移动基础设施。这些方案兼顾了移动网络中的每个环节，其中包括数字前端技术、小蜂窝单元、微波移动回程、多核处理、知识型处理、以太网交换、光学传输以及其它技术。

博通公司不仅与服务供应商和网络运营商合作，而且还非常熟悉政府和监管机构的情况，能够设计出最前沿的产品，并充分利用28纳米硅等最新的工艺节点以及先进的端到端技术，如基站、小蜂窝、服务网关技术。例如，XLP-200系列通信处理器为可缩放小蜂窝设计提供了理想的解决方案，可以同时支持3G、4G和5G WiFi。BCM51030数字前端解决方案面向宏和小蜂窝基站的多协议无线系统，其支持的带宽可以达到同类竞争方案的9倍。BCM85620系统芯片(SoC)可以满足移动回程系统中的带宽和联网需求，同时还可以降低功耗和系统成本。它是第一个采用1024QAM调制来实现千兆位和更高带宽的系统芯片，也是第一个将基带调制解调器和网络处理器结合在一起的系统芯片。